Computational and Experimental Modelling of Mooring Lines Dynamics for Offshore Floating Wind Turbines

El cálculo de cargas de aerogeneradores flotantes requiere herramientas de simulación en el dominio del tiempo que consideren todos los fenómenos que afectan al sistema, como la aerodinámica, la dinámica estructural, la hidrodinámica, las estrategias de control y la dinámica de las líneas de fondeo. Todos estos efectos están acoplados entre sí y se influyen mutuamente. Las herramientas integradas se utilizan para calcular las cargas extremas y de fatiga que son empleadas para dimensionar estructuralmente los diferentes componentes del aerogenerador. Por esta razón, un cálculo preciso de las cargas influye de manera importante en la optimización de los componentes y en el coste final del aerogenerador flotante. En particular, el sistema de fondeo tiene gran impacto en la dinámica global del sistema. Muchos códigos integrados para la simulación de aerogeneradores flotantes utilizan modelos simplificados que no consideran los efectos dinámicos de las líneas de fondeo. Una simulación precisa de las líneas de fondeo dentro de los modelos integrados puede resultar fundamental para obtener resultados fiables de la dinámica del sistema y de los niveles de cargas en los diferentes componentes. Sin embargo, el impacto que incluir la dinámica de los fondeos tiene en la simulación integrada y en las cargas todavía no ha sido cuantificada rigurosamente. El objetivo principal de esta investigación es el desarrollo de un modelo dinámico para la simulación de líneas de fondeo con precisión, validarlo con medidas en un tanque de ensayos e integrarlo en un código de simulación para aerogeneradores flotantes. Finalmente, esta herramienta, experimentalmente validada, es utilizada para cuantificar el impacto que un modelos dinámicos de líneas de fondeo tienen en la computación de las cargas de fatiga y extremas de aerogeneradores flotantes en comparación con un modelo cuasi-estático. Esta es una información muy útil para los futuros diseñadores a la hora de decidir qué modelo de líneas de fondeo es el adecuado, dependiendo del tipo de plataforma y de los resultados esperados. El código dinámico de líneas de fondeo desarrollado en esta investigación se basa en el método de los Elementos Finitos, utilizando en concreto un modelo ”Lumped Mass” para aumentar su eficiencia de computación. Los experimentos realizados para la validación del código se realizaron en el tanque del École Céntrale de Nantes (ECN), en Francia, y consistieron en sumergir una cadena con uno de sus extremos anclados en el fondo del tanque y excitar el extremo suspendido con movimientos armónicos de diferentes periodos. El código demostró su capacidad para predecir la tensión y los movimientos en diferentes posiciones a lo largo de la longitud de la línea con gran precisión. Los resultados indicaron la importancia de capturar la dinámica de las líneas de fondeo para la predicción de la tensión especialmente en movimientos de alta frecuencia. Finalmente, el código se utilizó en una exhaustiva evaluación del efecto que la dinámica de las líneas de fondeo tiene sobre las cargas extremas y de fatiga de diferentes conceptos de aerogeneradores flotantes. Las cargas se calcularon para tres tipologías de aerogenerador flotante (semisumergible, ”spar-buoy” y ”tension leg platform”) y se compararon con las cargas obtenidas utilizando un modelo cuasi-estático de líneas de fondeo. Se lanzaron y postprocesaron más de 20.000 casos de carga definidos por la norma IEC 61400-3 siguiendo todos los requerimientos que una entidad certificadora requeriría a un diseñador industrial de aerogeneradores flotantes. Los resultados mostraron que el impacto de la dinámica de las líneas de fondeo, tanto en las cargas de fatiga como en las extremas, se incrementa conforme se consideran elementos situados más cerca de la plataforma: las cargas en la pala y en el eje sólo son ligeramente modificadas por la dinámica de las líneas, las cargas en la base de la torre pueden cambiar significativamente dependiendo del tipo de plataforma y, finalmente, la tensión en las líneas de fondeo depende fuertemente de la dinámica de las líneas, tanto en fatiga como en extremas, en todos los conceptos de plataforma que se han evaluado. ABSTRACT The load calculation of floating offshore wind turbine requires time-domain simulation tools taking into account all the phenomena that affect the system such as aerodynamics, structural dynamics, hydrodynamics, control actions and the mooring lines dynamics. These effects present couplings and are mutually influenced. The results provided by integrated simulation tools are used to compute the fatigue and ultimate loads needed for the structural design of the different components of the wind turbine. For this reason, their accuracy has an important influence on the optimization of the components and the final cost of the floating wind turbine. In particular, the mooring system greatly affects the global dynamics of the floater. Many integrated codes for the simulation of floating wind turbines use simplified approaches that do not consider the mooring line dynamics. An accurate simulation of the mooring system within the integrated codes can be fundamental to obtain reliable results of the system dynamics and the loads. The impact of taking into account the mooring line dynamics in the integrated simulation still has not been thoroughly quantified. The main objective of this research consists on the development of an accurate dynamic model for the simulation of mooring lines, validate it against wave tank tests and then integrate it in a simulation code for floating wind turbines. This experimentally validated tool is finally used to quantify the impact that dynamic mooring models have on the computation of fatigue and ultimate loads of floating wind turbines in comparison with quasi-static tools. This information will be very useful for future designers to decide which mooring model is adequate depending on the platform type and the expected results. The dynamic mooring lines code developed in this research is based in the Finite Element Method and is oriented to the achievement of a computationally efficient code, selecting a Lumped Mass approach. The experimental tests performed for the validation of the code were carried out at the `Ecole Centrale de Nantes (ECN) wave tank in France, consisting of a chain submerged into a water basin, anchored at the bottom of the basin, where the suspension point of the chain was excited with harmonic motions of different periods. The code showed its ability to predict the tension and the motions at several positions along the length of the line with high accuracy. The results demonstrated the importance of capturing the evolution of the mooring dynamics for the prediction of the line tension, especially for the high frequency motions. Finally, the code was used for an extensive assessment of the effect of mooring dynamics on the computation of fatigue and ultimate loads for different floating wind turbines. The loads were computed for three platforms topologies (semisubmersible, spar-buoy and tension leg platform) and compared with the loads provided using a quasi-static mooring model. More than 20,000 load cases were launched and postprocessed following the IEC 61400-3 guideline and fulfilling the conditions that a certification entity would require to an offshore wind turbine designer. The results showed that the impact of mooring dynamics in both fatigue and ultimate loads increases as elements located closer to the platform are evaluated; the blade and the shaft loads are only slightly modified by the mooring dynamics in all the platform designs, the tower base loads can be significantly affected depending on the platform concept and the mooring lines tension strongly depends on the lines dynamics both in fatigue and extreme loads in all the platform concepts evaluated.

Methodology for Dynamic Stability and Robustness Analysis of Commercial-Power-Module-Based DC-Distributed Systems

El propósito de esta tesis es presentar una metodología para realizar análisis de la dinámica en pequeña señal y el comportamiento de sistemas de alimentación distribuidos de corriente continua (CC), formados por módulos comerciales. Para ello se hace uso de un método sencillo que indica los márgenes de estabilidad menos conservadores posibles mediante un solo número. Este índice es calculado en cada una de las interfaces que componen el sistema y puede usarse para obtener un índice global que indica la estabilidad del sistema global. De esta manera se posibilita la comparación de sistemas de alimentación distribuidos en términos de robustez. La interconexión de convertidores CC-CC entre ellos y con los filtros EMI necesarios puede originar interacciones no deseadas que dan lugar a la degradación del comportamiento de los convertidores, haciendo el sistema más propenso a inestabilidades. Esta diferencia en el comportamiento se debe a interacciones entre las impedancias de los diversos elementos del sistema. En la mayoría de los casos, los sistemas de alimentación distribuida están formados por módulos comerciales cuya estructura interna es desconocida. Por ello los análisis presentados en esta tesis se basan en medidas de la respuesta en frecuencia del convertidor que pueden realizarse desde los terminales de entrada y salida del mismo. Utilizando las medidas de las impedancias de entrada y salida de los elementos del sistema, se puede construir una función de sensibilidad que proporciona los márgenes de estabilidad de las diferentes interfaces. En esta tesis se utiliza el concepto del valor máximo de la función de sensibilidad (MPC por sus siglas en inglés) para indicar los márgenes de estabilidad como un único número. Una vez que la estabilidad de todas las interfaces del sistema se han evaluado individualmente, los índices obtenidos pueden combinarse para obtener un único número con el que comparar la estabilidad de diferentes sistemas. Igualmente se han analizado las posibles interacciones en la entrada y la salida de los convertidores CC-CC, obteniéndose expresiones analíticas con las que describir en detalle los acoplamientos generados en el sistema. Los estudios analíticos realizados se han validado experimentalmente a lo largo de la tesis. El análisis presentado en esta tesis se culmina con la obtención de un índice que condensa los márgenes de estabilidad menos conservativos. También se demuestra que la robustez del sistema está asegurada si las impedancias utilizadas en la función de sensibilidad se obtienen justamente en la entrada o la salida del subsistema que está siendo analizado. Por otra parte, la tesis presenta un conjunto de parámetros internos asimilados a impedancias, junto con sus expresiones analíticas, que permiten una explicación detallada de las interacciones en el sistema. Dichas expresiones analíticas pueden obtenerse bien mediante las funciones de transferencia analíticas si se conoce la estructura interna, o utilizando medidas en frecuencia o identificación de las mismas a través de la respuesta temporal del convertidor. De acuerdo a las metodologías presentadas en esta tesis se puede predecir la estabilidad y el comportamiento de sistemas compuestos básicamente por convertidores CC-CC y filtros, cuya estructura interna es desconocida. La predicción se basa en un índice que condensa la información de los márgenes de estabilidad y que permite la obtención de un indicador de la estabilidad global de todo el sistema, permitiendo la comparación de la estabilidad de diferentes arquitecturas de sistemas de alimentación distribuidos. ABSTRACT The purpose of this thesis is to present dynamic small-signal stability and performance analysis methodology for dc-distributed systems consisting of commercial power modules. Furthermore, the objective is to introduce simple method to state the least conservative margins for robust stability as a single number. In addition, an index characterizing the overall system stability is obtained, based on which different dc-distributed systems can be compared in terms of robustness. The interconnected systems are prone to impedance-based interactions which might lead to transient-performance degradation or even instability. These systems typically are constructed using commercial converters with unknown internal structure. Therefore, the analysis presented throughout this thesis is based on frequency responses measurable from the input and output terminals. The stability margins are stated utilizing a concept of maximum peak criteria, derived from the behavior of impedance-based sensitivity function that provides a single number to state robust stability. Using this concept, the stability information at every system interface is combined to a meaningful number to state the average robustness of the system. In addition, theoretical formulas are extracted to assess source and load side interactions in order to describe detailed couplings within the system. The presented theoretical analysis methodologies are experimentally validated throughout the thesis. In this thesis, according to the presented analysis, the least conservative stability margins are provided as a single number guaranteeing robustness. It is also shown that within the interconnected system the robust stability is ensured only if the impedance-based minor-loop gain is determined at the very input or output of each subsystem. Moreover, a complete set of impedance-type internal parameters as well as the formulas according to which the interaction sensitivity can be fully explained and analyzed, is provided. The given formulation can be utilized equally either based on measured frequency responses, time-domain identified internal parameters or extracted analytic transfer functions. Based on the analysis methodologies presented in this thesis, the stability and performance of interconnected systems consisting of converters with unknown internal structure, can be predicted. Moreover, the provided concept to assess the least conservative stability margins enables to obtain an index to state the overall robust stability of distributed power architecture and thus to compare different systems in terms of stability.

Design of a generalized tool for the performance assessment under sail based on analytical, numerical and empirical results : a global sailing yacht meta-model

La evaluación de las prestaciones de las embarcaciones a vela ha constituido un objetivo para ingenieros navales y marinos desde los principios de la historia de la navegación. El conocimiento acerca de estas prestaciones, ha crecido desde la identificación de los factores clave relacionados con ellas(eslora, estabilidad, desplazamiento y superficie vélica), a una comprensión más completa de las complejas fuerzas y acoplamientos involucrados en el equilibrio. Junto con este conocimiento, la aparición de los ordenadores ha hecho posible llevar a cabo estas tareas de una forma sistemática. Esto incluye el cálculo detallado de fuerzas, pero también, el uso de estas fuerzas junto con la descripción de una embarcación a vela para la predicción de su comportamiento y, finalmente, sus prestaciones. Esta investigación tiene como objetivo proporcionar una definición global y abierta de un conjunto de modelos y reglas para describir y analizar este comportamiento. Esto se lleva a cabo sin aplicar restricciones en cuanto al tipo de barco o cálculo, sino de una forma generalizada, de modo que sea posible resolver cualquier situación, tanto estacionaria como en el dominio del tiempo. Para ello se comienza con una definición básica de los factores que condicionan el comportamiento de una embarcación a vela. A continuación se proporciona una metodología para gestionar el uso de datos de diferentes orígenes para el cálculo de fuerzas, siempre con el la solución del problema como objetivo. Esta última parte se plasma en un programa de ordenador, PASim, cuyo propósito es evaluar las prestaciones de diferentes ti pos de embarcaciones a vela en un amplio rango de condiciones. Varios ejemplos presentan diferentes usos de PASim con el objetivo de ilustrar algunos de los aspectos discutidos a lo largo de la definición del problema y su solución . Finalmente, se presenta una estructura global de cara a proporcionar una representación virtual de la embarcación real, en la cual, no solo e l comportamiento sino también su manejo, son cercanos a la experiencia de los navegantes en el mundo real. Esta estructura global se propone como el núcleo (un motor de software) de un simulador físico para el que se proporciona una especificación básica. ABSTRACT The assessment of the performance of sailing yachts, and ships in general, has been an objective for naval architects and sailors since the beginning of the history of navigation. The knowledge has grown from identifying the key factors that influence performance(length, stability, displacement and sail area), to a much more complete understanding of the complex forces and couplings involved in the equilibrium. Along with this knowledge, the advent of computers has made it possible to perform the associated tasks in a systematic way. This includes the detailed calculation of forces, but also the use of those forces, along with the description of a sailing yacht, to predict its behavior, and ultimately, its performance. The aim of this investigation is to provide a global and open definition of a set of models and rules to describe and analyze the behavior of a sailing yacht. This is done without applying any restriction to the type of yacht or calculation, but rather in a generalized way, capable of solving any possible situation, whether it is in a steady state or in the time domain. First, the basic definition of the factors that condition the behavior of a sailing yacht is given. Then, a methodology is provided to assist with the use of data from different origins for the calculation of forces, always aiming towards the solution of the problem. This last part is implemented as a computational tool, PASim, intended to assess the performance of different types of sailing yachts in a wide range of conditions. Several examples then present different uses of PASim, as a way to illustrate some of the aspects discussed throughout the definition of the problem and its solution. Finally, a global structure is presented to provide a general virtual representation of the real yacht, in which not only the behavior, but also its handling is close to the experience of the sailors in the real world. This global structure is proposed as the core (a software engine) of a physical yacht simulator, for which a basic specification is provided.

Invariance between subjects of brain wave representations of language

In three experiments, electric brain waves of 19 subjects were recorded under several different experimental conditions for two purposes. One was to test how well we could recognize which sentence, from a set of 24 or 48 sentences, was being processed in the cortex. The other was to study the invariance of brain waves between subjects. As in our earlier work, the analysis consisted of averaging over trials to create prototypes and test samples, to both of which Fourier transforms were applied, followed by filtering and an inverse transformation to the time domain. A least-squares criterion of fit between prototypes and test samples was used for classification. In all three experiments, averaging over subjects improved the recognition rates. The most significant finding was the following. When brain waves were averaged separately for two nonoverlapping groups of subjects, one for prototypes and the other for test samples, we were able to recognize correctly 90% of the brain waves generated by 48 different sentences about European geography.

Invariance of brain-wave representations of simple visual images and their names

In two experiments, electric brain waves of 14 subjects were recorded under several different conditions to study the invariance of brain-wave representations of simple patches of colors and simple visual shapes and their names, the words blue, circle, etc. As in our earlier work, the analysis consisted of averaging over trials to create prototypes and test samples, to both of which Fourier transforms were applied, followed by filtering and an inverse transformation to the time domain. A least-squares criterion of fit between prototypes and test samples was used for classification. The most significant results were these. By averaging over different subjects, as well as trials, we created prototypes from brain waves evoked by simple visual images and test samples from brain waves evoked by auditory or visual words naming the visual images. We correctly recognized from 60% to 75% of the test-sample brain waves. The general conclusion is that simple shapes such as circles and single-color displays generate brain waves surprisingly similar to those generated by their verbal names. These results, taken together with extensive psychological studies of auditory and visual memory, strongly support the solution proposed for visual shapes, by Bishop Berkeley and David Hume in the 18th century, to the long-standing problem of how the mind represents simple abstract ideas.

Brain wave recognition of words

Electrical and magnetic brain waves of seven subjects under three experimental conditions were recorded for the purpose of recognizing which one of seven words was processed. The analysis consisted of averaging over trials to create prototypes and test samples, to both of which Fourier transforms were applied, followed by filtering and an inverse transformation to the time domain. The filters used were optimal predictive filters, selected for each subject and condition. Recognition rates, based on a least-squares criterion, varied widely, but all but one of 24 were significantly different from chance. The two best were above 90%. These results show that brain waves carry substantial information about the word being processed under experimental conditions of conscious awareness.

Brain-wave recognition of sentences

Electrical and magnetic brain waves of two subjects were recorded for the purpose of recognizing which one of 12 sentences or seven words auditorily presented was processed. The analysis consisted of averaging over trials to create prototypes and test samples, to each of which a Fourier transform was applied, followed by filtering and an inverse transformation to the time domain. The filters used were optimal predictive filters, selected for each subject. A still further improvement was obtained by taking differences between recordings of two electrodes to obtain bipolar pairs that then were used for the same analysis. Recognition rates, based on a least-squares criterion, varied, but the best were above 90%. The first words of prototypes of sentences also were cut and pasted to test, at least partially, the invariance of a word’s brain wave in different sentence contexts. The best result was above 80% correct recognition. Test samples made up only of individual trials also were analyzed. The best result was 134 correct of 288 (47%), which is promising, given that the expected recognition number by chance is just 24 (or 8.3%). The work reported in this paper extends our earlier work on brain-wave recognition of words only. The recognition rates reported here further strengthen the case that recordings of electric brain waves of words or sentences, together with extensive mathematical and statistical analysis, can be the basis of new developments in our understanding of brain processing of language.